高速铁路牵引变电站接地网安全性能评价

程凌云, 向念文, 徐宗奇, 王立天, 樊春雷, 赵海军

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009; 2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司,北京 100070; 3.中铁电气化勘测设计研究院有限公司,天津 300250)

高速铁路牵引变电站接地网是隐蔽工程,主要作用是满足变电站一、二次侧系统的接地需求,同时保护站内设备与人员的安全[1]。工频接地短路和雷电冲击是造成高速铁路牵引变电站故障的重要原因[2],通常国内牵引变电站接地网设计多以接地阻抗值作为唯一评价指标[3],随着高速铁路的迅速发展,在一些土壤条件恶劣的地区,按照传统的设计方法难以满足接地阻值小于0.5 Ω的设计标准[4],在变电站发生工频接地故障或遭受雷电冲击时,站内的设备及人员存在安全隐患[5-6]。2013年7月,京沪高铁德州东站遭受雷击,雷击引起地电位升高致使二次侧212保护板烧毁;2017年8月,京广高铁董家牵引变电站发生绝缘子闪络跳闸事故,由于跳闸供电杆处接地阻抗超标,导致其地电位升高击穿了开关设备箱。为了避免此类事故的再次发生,需对现有变电站接地网安全性能进行重新评价和改造。因此,可靠的接地网安全性能评价是高速铁路供电系统安全稳定运行的重要保证。

除了我国之外,德国、英国、法国、日本等国家也拥有高速铁路,但由于上述地区存在纬度较高、雷电活动稀疏及高铁运营里程较短等原因,相关研究较少[7-8]。国内牵引变电站接地网设计方法主要依赖于GB/T 50065—2011计算方法进行接地阻抗安全限值计算[9],或通过软件仿真计算接触电压及跨步电压。文献[10]运用CDEGS软件中RESAP和MALZ模块构建了牵引变电站土壤和接地网模型,将计算结果与实际测量结果进行了比较;文献[11]通过改变接地网的设计参数获得相对安全的接触电压或跨步电压等指标,给出了评价指标的目标函数,并提出了评价方法;文献[12]建立了电磁暂态仿真计算模型,得出牵引变电站遭受雷击后站内地表的电位分布,优化了变电站工频条件下的地网安全评价方法。然而,以上文献对牵引变电站接地网评价过于单一,无法全方位地反映接地网性能,导致设计上存在缺陷,带来一定的安全隐患,影响牵引变电站的安全可靠运行,因此迫切需要建立一个多维度的高速铁路牵引变电站接地网评价体系。

本文建立了高速铁路牵引变电站三维电磁暂态仿真计算模型,使用矩量法和傅里叶变换,研究接地网工频入地短路电流暂态特性与雷击暂态散流和地电位分布特性,以牵引变电站工频接地状态下接地阻抗、接地网接触电压、跨步电压以及雷电冲击状态下接地网的地电位升(ground potential rise,GPR)、网孔电位差作为接地网安全性的评价指标,进行高速铁路牵引变电站安全性能评价。

1 安全性能评价的分析方法

采用电磁计算法分析安全性能评价指标,通过分析求解场域,构造场域方程确定边界条件,再通过解析或者有限元的方法对场域方程进行求解,将整个接地网及周围得到介质都看作场域一部分进行分析[13]。

接地网的接地阻抗、接触电压、跨步电压等指标与电流在接地网中的分布密切相关。因此,进行接地网安全性能评估计算的关键是接地导体中漏电流的分布。

高速铁路牵引变电站接地网的占地面积较大,电位分布非等电位,为计算其接地网的性能,将接地网分为许多短导体,选取短导体上漏电流作为变量,且设漏电流在每一根短导体上由其中心轴线均匀流出,根据各导体表面电位的连续性这一条件,建立下列方程[14]：

(1)

由于导体内外表面两端的电位差值相等,可以得到:

(2)

假设一个被分为k段的接地网,其中第k段的导体与其他导体段的连接情况如图1所示。图1中,k、k-、k+分别为第k段的中点和2个端点。φk为由所有导体段的漏电流在各导体段中点处产生的电位,计算公式为：

(3)

(4)

图1 接地网局部

(5)

(6)

将(3)式代入(5)式,(5)式或(6)式代入(4)式,经整理可以得到仅有各段导体漏电流的等式,即

(7)

结合(7)式,建立以各段导体段上的漏电流为未知数的线性代数方程组,即

(8)

对上述方程进行求解可得各导体段上的漏电流,从而计算包括接地网接地阻抗、接地网接触电压、跨步电压、网孔电位差及地电位升等牵引变电站接地网安全性能评价指标。

2 接地网安全性能评价案例

徐州牵引变电站接地网模型如图2所示。结合徐州高速铁路220 kV牵引变电站进行接地网安全性能评价,由图2可知,该牵引变电站接地网长89 m,宽79 m,总面积约7 030 m2;水平接地体为截面积185 mm2纯铜绞线,埋深0.6 m,总长度为2 260 m。垂直接地体为106根外径50 mm、壁厚4 mm、长2.5 m的紫铜管。

设土壤模型为均匀无限大结构,电阻率为50 Ω·m,其电导率、介电常数和磁导率为常数,激励注入点见图2。

图2 徐州牵引变电站接地网模型

2.1 接地网工频接地状态分析

2.1.1 接地阻抗分析

接地阻抗是反映接地网泄流能力的宏观指标,是高速铁路牵引变电站接地网设计的重要参数,用接地阻抗进行直观的接地网性能评价是方便快捷的。在均匀土壤中,根据IEEE Std.80—2000中的Schwarz公式[15]来确定含有垂直接地体的接地网接地阻抗,即

(9)

其中,R1为接地网水平接地导体电阻;R2为所有垂直接地体的接地阻抗;R12为接地网水平接地导体和所有垂直接地体之间的互阻。

将徐州牵引变电站接地网数据代入(9)式,得出接地阻抗值为0.282 Ω,通过点匹配矩量法得到的接地阻抗值为0.269 Ω;若结果相差在5%以内,则可认为接地阻抗实际阻值接近0.27 Ω。因为该牵引变电站面积不大且土壤电阻率较低,所以接地阻抗值小于0.5 Ω为安全,即该变电站满足接地阻抗的安全评价指标。

2.1.2 接触电压、跨步电压及GPR分析

在实际工程设计中,仅依赖于接地阻抗一项指标来评价接地网的安全性存在着一定的隐患。当故障电流由注入点向周围土壤流散时,会在土壤中产生压降形成地表电位分布,此时附近人员用手去接触与接地体相连接的物体时,手脚的电位不同会形成接触电位差,同理人员走动时两脚之间会形成跨步电位差。因此,需充分考虑在工频接地状态下,接地网接触电压、跨步电压对人员安全的影响,以及地电位升对设备和系统运行的影响,基于上述指标对接地网安全性展开进一步的评价。

根据文献[1,16],工频接地短路电流取经过接地网流入大地的最大短路电流9 kA,分别通过频域矩量法得出徐州牵引变电站站内接触电压、跨步电压及地电位升,而后通过不等间距接地网地电位升、接触电压和跨步电压计算公式[17]对矩量法计算结果的准确性进行验证。安全电压阈值参考IEEE Std80—2000,其中故障时间为0.5 s,表层土壤电阻率为2 000 Ω·m,厚度为15 cm。结果见表1所列。

表1 2种方法得到的接触电压、跨步电压和GPR最大值 V

由表1可知,基于矩量法的结果,徐州牵引变电站原始接地网的接触电压最大值为679 V,超过安全阈值27.2%,而跨步电压最大值为187 V,远低于其安全电压阈值1 669 V,GPR的最大值为2 376 V,远低于二次设备网孔电压耐受值4 kV[18],结果如图3～图5所示。

图3 接地网接触电压三维图

图4 接地网跨步电压三维图

图5 接地网GPR三维图

通过上述分析,可确定站内跨步电压和GPR均在安全电压阈值以内,接触电压超过其安全电压阈值,存在一定的安全隐患,需根据实际情况进行例如增加垂直接地极数量和长度、改变接地导体的直径、水平接地导体外扩等改进措施。

对接地网模型进行改进后,站内接触电压最大值降为328 V,如图6所示,符合安全电压阈值。此时,接地网满足接触电压、跨步电压和GPR评价指标。

图6 改进后接地网接触电压三维图

2.2 接地网雷电冲击状态分析

高速铁路牵引变电站发生雷击事故时,大量的雷电冲击电流会注入变电站接地系统,使得接地网瞬态电位大幅提升,直接威胁到变电站二次系统的安全稳定运行,因此,需要进行变电站雷击状态下的接地网安全性能评价。

基于牵引变电站原始接地网和本文2.1中根据工频接地安全指标改进的接地网,建立了牵引变电站接地网雷击瞬态三维电磁场计算模型,为了使研究内容具有典型意义,雷电冲击电流波形采用8/20 μs标准雷电流波形,取反映最严苛情况的变电站西北角避雷针注入幅值30 kA,依据目前雷电观测结论,雷电流主要能量分布在数百kHz以内,参考雷电波形FFT分析结果,在保证分辨率的前提下,频率选择在0～7 MHz内,计算结果拟合获得距雷击点不同横向距离地网电位分布特性如图7所示。

由图7的拟合结果分别得到原始接地网与改进后接地网的网孔电位差,见表2所列。

结合图7、表2可知,30 kA雷电流引起徐州牵引变电站原始接地网最大电位升为27.6 kV,网孔电位差最高达10.3 kV,距电流注入点16 m内网孔电位差均已超过二次侧设备4 kV的耐受值。在相同条件下,改进后的接地网最大电位升为26.3 kV,网孔电位差最高为10.1 kV,同样网孔电位差在距注入点16 m处超过设备耐受值。

表2 雷电冲击下的接地网网孔电位差

由上述可知,改进后的接地网,其工频接地状态下的接触电压、跨步电压水平有显著改善,但对雷电冲击状态下的接地网网孔电位差无显著影响。因此,针对徐州牵引变电站,建议在条件允许的情况下,将二次设备、二次回路及二次电缆等,布置在与避雷针及出线架构距16 m以外处,同时完善变电站二次系统和二次线缆的接地、屏蔽、电源和信号系统的SPD选型等环节,以满足雷电冲击下的评价指标。

3 接地网安全性能评价指标

牵引变电站接地网的合理设计是保证变电站安全可靠运行的关键,针对接地网设计的评价,多以接地阻抗值小于0.5 Ω作为衡量其性能的唯一指标,但通过上述对徐州高速铁路牵引变电站的多个指标的评价,发现了接地网在接地阻抗满足要求的情况下,工频接地状态下变电站内局部接触电压及雷电冲击状态下局部网孔电位差超过安全标准值,故仅以接地阻抗的指标来评价接地网的安全性具有一定的局限性。

接地网设计应从设备和人员的安全角度出发,充分注重其GPR、接触电压及跨步电压等工频接地状态下的评价指标,同时,雷击作为引起牵引变电站故障的重要原因,其引起的接地网GPR在高于4 kV时会直接影响到二次侧设备的安全稳定运行。

因此,需结合上述工频接地状态下的接地阻抗、接地网电位升、接触电压、跨步电压以及雷电冲击状态下接地网电位升、网孔电位差等评价指标进行多维度的高速铁路牵引变电站接地网安全性能评价。

4 结 论

本文针对徐州牵引变电站接地网,基于矩量法建立了接地网仿真模型,从变电站工频接地和雷电冲击2个方面进行接地网安全性能的评价,得到如下结论:

(1) 在接地网接地阻抗满足安全标准的情况下,工频接地状态下的接触电压在接地网边缘处超过安全阈值27.2%,该牵引变电站工频接地状态下存在一定的安全隐患。

(2) 雷电冲击状态下的网孔电位差在以注入点为圆心的16 m范围内均不满足安全电压标准。建议在条件允许的情况下,将二次设备、二次电缆与潜在雷击点引下线接地点的距离控制在16 m以上,否则应增加浪涌保护器等防护措施。

(3) 对接地网进行增加垂直接地极数量和长度、改变接地导体的直径及水平接地导体外扩等改进后,工频接地状态下的接触电压、跨步电压水平有明显下降,但雷电冲击状态下的GPR和网孔电位差没有显著的变化。